- Kiểm thử
Việc xây dựng phần mềm nhúng cũng tuân theo trình tự các bước như trên. Ngoài ra, phần mềm nhúng còn có đặc trưng là làm việc trực tiếp với phần cứng. Do đó để kiểm soát quá trình làm việc với các thành phần chấp hành có đúng đắn hay không là điều đặc biệt quan trọng.
3.2.2 Phần mềm nhúng viết cho CC1010
Phần mềm nhúng viết cho CC1010 được viết bằng ngôn ngữ C, sử dụng các thư viện cho CC1010 do hãng Chipcon cung cấp, chương trình biên dịch Keil µVision 2.0.
Chương trình dịch Keil µVision 2.0 do hãng Keil Elektronik GmbH xây dựng là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) dùng để xây dựng các chương trình cho các họ VĐK tương thích 8051 của Intel. Đây là bộ chương trình dịch cho phép người viết chương trình soạn thảo chương trình, dịch chương trình và gỡ lỗi trên cùng một môi trường. Chương trình dịch hỗ trợ cho cả ngôn ngữ C và Assembly.
Hãng Chipcon cũng cung cấp bộ thư viện CC1010IDE hỗ trợ cho việc xây dựng phần mềm cho VĐK CC1010. Đây là bộ thư viện giúp cho việc xây dựng chương trình cho CC1010 được dễ dàng và nhanh chóng.
CC1010IDE dựa trên công cụ phát triển “µVision2” của hãng Keil ™ Elektronik GmbH. Công cụ này cung cấp một khung (framework) cho hầu hết các đặc điểm của CC1010IDE và cũng hỗ trợ hầu hết cho các VĐK họ 8051. Trình soạn thảo là một công cụ chủ yếu để soạn thảo các file nguồn và file hợp ngữ. Nó cũng cung cấp các chức năng trợ giúp khác như giao diện đồ hoạ (Graphic User Interface - GUI), cần cho mô phỏng/gỡ lỗi (mã lệnh dạng hợp ngữ, thanh ghi, bộ nhớ, các cửa sổ theo dõi, bước lệnh, …). Thêm vào đó, IDE cũng cung cấp các giao diện với thư viện liên kết động (Dynamic Linking Library – DLL) được sử dụng để mô phỏng và gỡ lỗi trên mạch. Một điểm đặc biệt của bộ dịch là có thể chuyển các file nguồn được viết bằng C sang dạng hợp ngữ, để sau đó có thể tối ưu hoá mã lệnh. Dạng hợp ngữ sau đó được chuyển thành các file đối tượng (mã máy hoặc dữ liệu nhị phân). Cuối cùng, bộ liên kết đưa ra dạng file thực thi dạng Intel HEX và có thể nạp vào bộ nhớ Flash của VĐK.
Các file định nghĩa phần cứng - Hardware Definition Files (HDF)
Các file định nghĩa phần cứng định nghĩa địa chỉ các thanh ghi, ánh xạ vectơ ngắt và các hằng số phần cứng khác. Chúng cũng thường dùng các macro cho CC1010EB, và các định nghĩa hỗ trợ hợp ngữ và ngôn ngữ C.
Thư viện phần cứng - Hardware Abstraction Library (HAL)
Để hỗ trợ việc phát triển chương trình nhanh chóng và dễ dàng, Chipcon cung cấp thư viện các macro và các hàm truy cập phần cứng C1010 dễ dàng. Những thư viện này nằm trong Thư Viện Phần Cứng (HAL) và thi hành một giao tiếp phần cứng trừu tượng đối với chương trình người dùng. Nhờ đó chương trình người dùng có thể truy cập ngoại vi của vi điều khiển, thông qua các lời gọi hàm/macro, mà không cần hiểu chi tiết về phần cứng.
Thư viện HAL hỗ trợ các chức năng sau:
- Truyền nhận không dây
- Đo cường độ RSSI
- Truyền nhận RS232
- Làm việc với ADC
- Xử lý thời gian thực
- Mã hoá DES
Chương trình ứng dụng Test = data
Các file định nghĩa phần cứng
(Hardware definition file - HDF) Thư viện phần cứng
(Hardware abstraction library – HAL) Thư viện tiện ích Chipcon
(Chipcon utility library-CUL) Thư viện C
- Thiết lập các bộ định thời
- Làm việc với các cổng
Thư viện tiện ích Chipcon - Chipcon Utility Library (CUL)
Bên cạnh module HAL CC1010IDE cũng cung cấp một thư viện cho truyền thông RF đặt trong Thư Viện Tiện Ích (CUL). Thư viện này thường dùng cho các ứng dụng RF điển hình, và cung cấp một giao thức RF đầy đủ.
Thư viện CUL hỗ trợ các chức năng sau: - Truyền nhận không dây
- Tính toán Mã dư vòng (CRC)
- Xử lý Thời gian thực (Realtime Clock)
Cả hai thư viện HAL và CUL đều hỗ trợ Truyền nhận không dây và xử lý thời gian thực. Tuy nhiên, các hàm ở thư viện CUL làm việc ở mức cao hơn, người viết chương trình cũng dễ dàng và tiện lợi hơn, nhưng bù lại cũng kém mềm dẻo hơn so với sử dụng các hàm ở thư viện HAL. Do vậy, đối với những ứng dụng đòi hỏi sự phức tạp thì thường dùng thư viện HAL. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Phần mềm WSN viết cho CC1010
Phần mềm viết cho node mạng cho WSN cần thực hiện những chức năng cơ bản sau:
o Cảm nhận
o Tính toán
o Truyền thông
Một thách thức là phải thực hiện tất cả những công việc trên vào một VĐK bị ràng buộc về mặt tài nguyên. Điều đó đòi hỏi chương trình viết càng ngắn và càng tốn ít bộ nhớ càng tốt, trong khi vẫn đảm bảo việc viết chương trình nhanh, bảo trì và nâng cấp dễ dàng.
Đối với việc truyền thông, chương trình sử dụng các hàm trong bộ thư viện HAL của Chipcon.
Chương trình truyền thông cho CC1010 thực hiện theo các bước sau:
oKhởi tạo RF: thiết lập tần số RF, tốc độ truyền, cách điều chế tín hiệu,
công suất phát. Trong chương trình cụ thể, các thông số trên lần lượt có giá trị là: 868MHz, 2.4kb/s, mã hoá Manchester, 4 dBm. Các khai báo này được đặt trong một cấu trúc RF_SETTINGS được khai báo như sau:
RF_RXTXPAIR_SETTINGS code RF_SETTINGS = {
0x4B, 0x2F, 0x15, // Modem 0, 1 and 2: Manchester, 2.4 kBaud 0x75, 0xA0, 0x00, // Freq A
0x58, 0x32, 0x8D, // Freq B 0x01, 0xAB, // FSEP 1 and 0 0x40, // PLL_RX 0x30, // PLL_TX 0x6C, // CURRENT_RX 0xF3, // CURRENT_TX 0x32, // FREND 0xFF, // PA_POW 4dBm 0x00, // MATCH 0x00, // PRESCALER };
Việc khởi tạo RF theo các bước trình tự sau:
halRFCalib(&RF_SETTINGS, &RF_CALDATA); //chuẩn hoá RF INT_GLOBAL_ENABLE (INT_OFF); //cấm ngắt toàn cục INT_SETFLAG (INUM_RF, INT_CLR); //xoá ngắt RF
INT_PRIORITY (INUM_RF, INT_HIGH);//mức ưu tiên ngắt RF là cao RF_SET_BYTEMODE(); //RF hoạt động ở chế độ byte RF_SET_PREAMBLE_COUNT(PREAMBLE_BYTE_COUNT); //thiết lập số byte dẫn đường
RF_SET_SYNC_BYTE(RF_SUITABLE_SYNC_BYTE);//thiết lập byte // đồng bộ MODEM1=(MODEM1&0x03)|0x24; //lọc trung bình // Reset preamble detection
PDET &= ~0x80; PDET |= 0x80;
INT_ENABLE (INUM_RF, INT_OFF); //cấm ngắt ngắt RF
INT_GLOBAL_ENABLE (INT_ON); //cho phép ngắt toàn cục
oNhận dữ liệu RF: việc nhận dữ liệu RF thông qua ngắt. Mỗi khi nhận
được một byte, VĐK sinh ra một ngắt. Chương trình xử lý ngắt có nhiệm vụ đưa byte này vào một bộ đệm. Khi toàn bộ gói tin đã nhận xong, ngắt này bị cấm để chờ xử lý xong bộ đệm.
Quá trình nhận một byte từ bộ đệm RFBUF vào bộ đệm chương trình như sau:
//nhận một byte từ RFBUF vào bộ đệm rf_rx_buf tại vị trí rf_rx_index; rf_rx_buf[rf_rx_index] = RF_RECEIVE_BYTE();
rf_rx_index++; //tăng chỉ số lên 1
Byte đầu tiên của bộ đệm chương trình rf_rx_buf [0] lưu độ dài gói tin. Việc nhận dữ liệu kết thúc khi rf_rx_index bằng giá trị độ dài gói tin, nghĩa là:
Sau khi toàn bộ gói tin RF đã nhận được, chương trình sẽ phân tích gói tin, lọc ra các dữ liệu cần thiết. Nếu là node Master, nó sẽ truyền dữ liệu nhận được về PC qua cổng RS232. Nếu là Slave, nó sẽ thực hiện việc cảm nhận, tính toán rồi truyền dữ liệu về Master.
oTruyền dữ liệu RF: việc truyền dữ liệu RF được thực hiện bởi các
hàm/macro trong thư viện HAL của Chipcon như sau:
halRFSetRxTxOff(RF_TX, &RF_SETTINGS, &RF_CALDATA);//turn on TX (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
RF_START_TX();//bắt đầu truyền
halRFSendPacket(PREAMBLE_BYTE_COUNT,&txDataBuffer[0],4); //truyền dữ liệu tại txDataBuffer với độ dài là 4
halRFSetRxTxOff(RF_RX,&RF_SETTINGS,&RF_CALDATA);//tu
rn on //RX
RF_START_RX(); // bắt đầu chế độ nhận
INT_SETFLAG (INUM_RF, INT_CLR); //xoá cờ ngắt RF INT_ENABLE (INUM_RF, INT_ON); //cho phép ngắt RF
3.3. Thực nghiệm đo hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng WSN
* Dụng cụ và các thiết bị thực nghiệm:
Thành phần chính của thực nghiệm gồm: Một node tín hiệu truyền đi còn node thứ hai thu nhận tín hiệu, được nối trực tiếp với máy tính hoặc tích hợp sẵn màn hình LCD để dễ theo dõi, thu thập xử lý thông tin nhận được ( hình 3.1).
Hình 3.1 Dụng cụ thực nghiệm * Các thông số thiết lập cơ bản cho CC1010:
• Sử dụng các switch trên CC1010EB để truyền một gói tin chuẩn.
• Các led báo hiệu trên CC10101EB bao gồm:
- Led xanh: chỉ thị đang truyền tín hiệu.
- Led vàng: chỉ thị đang nhận tín hiệu.
- Led đỏ: chỉ thị quá trình truyền/nhận lỗi.
- Led lá cây: chỉ thị quá trình truyền/nhận tốt.
* Thí nghiệm đo hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng WSN 3.3.1. Sơ đồ thực nghiệm và thuật toán
Hình 3.2: Sơ đồ thực nghiệm
Các dụng cụ thí nghiệm được sắp xếp như hình 3.2. Node cơ sở nối trực tiếp với máy tính qua cổng RS232 nhận kết quả truyền từ node cảm nhận. Thực hiện di chuyển node cảm nhận để đo hiệu quả nhận gói tin ở các khoảng cách khác nhau. Các node được lập trình lần lượt thay đổi giá trị Delay. Kết quả đo được node cơ sở xử lý và hiển thị, cho phép khảo sát hiệu quả truyền tỷ lệ truyền gói tin phụ thuộc khoảng cách giữa nơi truyền, nơi nhận. Sau đó đo hiệu quả truyền nhận theo sự thay đổi khoảng cách và khoảng delay giữa chúng.
Vấn đề quan trọng trong thí nghiệm này là cài đặt các phần mềm tương ứng để các node cơ sở và node cảm nhận thực hiện chức năng của chúng. Ta có giải thuật của hai node như hình dưới:
Node truyền gửi lần lượt 100 gói data có số thứ tự từ 1 đến 100. Node nhận có hai tham số test và error . Khởi đầu 2 giá trị này này bằng 0. Khi có data gửi đến:
if ( test > data) error = data -1; else
error = error + (data - test -1); test =data;
Trong đó: test là chứa giá trị nhận được trước đó, data là giá trị nhận được hiện tại, error là số lỗi truyền.
Nếu gói tin gửi thành công, số lỗi error được giữ nguyên, nếu mất gói hoặc lỗi thì error tăng lên một giá trị chính bằng giá trị truyền đúng mới nhất trừ đi giá trị trước khi bắt đầu lỗi và trừ đi 1.
3.3.2. Tiến hành thực nghiệm và các kết quả đo được
• Mối liên hệ khoảng cách và hiệu quả truyền nhận gói tin:
Tiến hành đo tỷ lệ nhận gói của quá trình truyền nhận ở các địa điểm khác nhau, cho ta đồ thị như hình 3.14. Ở môi trường khoảng không rộng lớn, không có vật chắn (thí nghiệm được thực hiện ở sân Mỹ Đình vào 10AM-11AM, nhiệt độ trung bình tầm 29- 36oC, ít người qua lại) và môi
Khởi tạo Truyền data Data= Data+1 Delay Data>1 00 Data=1 T F Khởi tạo Test=0, Error=0 Nhận data Error= data -1 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Error= error + ( data- test – 1) Test = data Có data? Test> data F T Hiển thị T Data = 100 F T F Hình 3.3b: Thuật toán node nhận
Hình 3.3a: Thuật toán node truyền
trường có vật chắn: cây cối, nhà… (thí nghiệm được thực hiện tại sân trường ĐHQG Hà Nội tầm 3PM-5PM, nhiệt độ 26-34oC, thời gian ít người qua lại)
Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn sự liên hệ giữa khoảng cách và hiệu quả truyền nhận gói tin
Nhận thấy, kết quả đo ở SVĐ Mỹ Đình cho tỷ lệ nhận gói tin cao hơn ở cùng một khoảng cách và khoảng cách truyền nhận ở đây cũng xa hơn. Tuy nhiên, trên thực tế kết quả quá trình nhận gói tin thực hiện bởi các bộ nhận tại các vị trí khác nhau từ bên phát là không có quy tắc hay không theo cùng một hướng.
Tiến hành đo với các trục cùng tâm trong khoảng truyền nhận cho các đường truyền nhận gói tin thực như hình 3.5. Đường bao của các điểm có cùng tỷ lệ nhận gói có hình dạng con sứa chứ không phải là một đường tròn. Có những điểm khoảng cách xa nhưng lại có tỷ lệ truyền nhận gói tin tốt hơn. Điều này có thể được giải thích là do ở những vị trí có fading tác động
Hiệ u quả tru yền nhậ n gói % Khoảng cách (m)
mạnh làm cho tín hiệu bị sai lệch thì tỷ lệ nhận gói tin sẽ giảm xuống. Vì vậy tuy khoảng cách gần hơn nhưng hiệu quả truyền gói lại thấp hơn.
Hình 3.5: Đường biểu diễn tỷ lệ nhận gói tin thực theo khoảng cách
• Thực nghiệm đo hiệu quả nhận gói tin khi thay đổi khoảng cách và khoảng delay:
Tiến hành thí nghiệm trong phạm vi một tòa nhà. Sử dụng các node mạng: một node cơ sở được kết nối máy tính qua RS232 làm nhiệm vụ truyền tín hiệu và node thu nhận tín hiệu được tích hợp sẵn màn hình LCD để dễ theo dõi, thu thập xử lý thông tin nhận được, di chuyển node thu nhận tín hiệu ở các khoảng cách khác nhau. Lần lượt thay đổi khoảng delay ta sẽ thu được các kết quả đo như trên trục đồ thị:
Hình3.6: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu quả truyền nhận gói tin vào khoảng delay và khoảng cách
Nhận xét:
Khi node cảm nhận di chuyển theo các khoảng cách ta sẽ thấy có sự thay đổi đáng kể hiệu quả truyền nhận gói tin khi thay đổi khoảng delay giữa chúng. Kết quả đo thực nghiệm cho thấy tỷ lệ nhận gói tin tốt khi Delay nằm trong khoảng 20000< Delay < 50000 ở khoảng cách 5m đến 10m.
Như vậy khoảng delay có ảnh hưởng đến tỷ lệ nhận gói theo khoảng cách trong mạng cảm biến không dây.
3.4. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo
Trường hợp thí nghiệm sử dụng thủ tục Aloha cho 2 node trong mạng WSN ta thấy: Hiệ u quả tru yền nhậ n gói % Khoảng cách (m)
Trong khi bên nhận chỉ có thực hiện quá trình nhận, xử lý số liệu và hiển thị thì bên truyền sẽ phải có một khoảng thời gian nghỉ giữa các lần truyền để đảm bảo lúc truyền đi thì bên nhận cũng đã sẵn sàng nhận gói tin. Thời gian nghỉ này có ảnh hưởng đến hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng. Khi giữa node truyền và node nhận đồng bộ về mặt khe thời gian như vậy thì trong một phạm vi về mặt địa lý ta có thể xác định được các miền: Miền kết nối, miền chuyển tiếp và miền không kết nối.
Hình 3.7: Các miền của hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng WSN
+ Miền kết nối là vùng trong khoảng cách mà cho tỷ lệ nhận gói cao.
+ Xa hơn miền này tỷ lệ nhận gói tin giảm xuống và có xác suất khác nhau, gọi là miền chuyển tiếp. Miền này có độ rộng tùy thuộc từng môi trường truyền nhận. Sự xuất hiện miền này cho phép giải thích tính không
Hiệ u quả tru yền nhậ n gói % Khoảng cách (m)
+ Xa hơn miền chuyển tiếp gọi là miền không kết nối, tại đây tỷ lệ nhận gói tin là rất thấp.
Tuy nhiên, nếu thí nghiệm được áp dụng với 3 hay nhiều node mạng thì thời gian nghỉ giữa 2 lần truyền tăng lên nhiều. Do đó nó cũng ảnh hưởng đến hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng. Tuy nhiên các miền sẽ không bị thay đổi nếu có giải thuật cho các node tốt. Sau đây là giải thuật cho 3 node mạng:
Thuật toán node cơ sở:
Hình 3.8: Thuật toán node cơ sở
Thuật toán node cảm nhận 1 và 2:
Khởi tạo
Gửi yêu cầu
Nhận (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.9: Thuật toán node cảm nhận 1 và 2
Cho nên hướng nghiên cứu tiếp theo của đồ án này chính là dựa vào giải thuật 3 node mạng ở trên, viết chương trình thích hợp cho các node để tăng hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng, khắc phục nhược điểm của thủ tục cạnh tranh môi trường Aloha trong mạng WSN.
Khởi tạo Nhận Truyền Delay Ok ? T F Khởi tạo Nhận Delay Truyền Ok ? T F
KẾT LUẬN
Trong phạm vi đồ án này, em đã nghiên cứu được tổng quan về mạng WSN, thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường cạnh tranh trong mạng WSN